Gli astronomi continuano a sviluppare simulazioni al computer per aiutare i futuri osservatori a comprendere meglio i buchi neri, gli abitanti più sfuggenti dell'universo.

Sebbene i buchi neri probabilmente esistano in abbondanza nell'universo, sono notoriamente difficili da vedere. Gli scienziati non hanno catturato la prima immagine radio di un buco nero fino al 2019, e solo circa quattro dozzine di fusioni di buchi neri sono state rilevate attraverso le loro tipiche increspature gravitazionali dal primo rilevamento nel 2015.

Non sono molti i dati con cui lavorare. Quindi gli scienziati guardano alle simulazioni di buchi neri per ottenere informazioni cruciali che aiuteranno a trovare più fusioni con missioni future. Alcune di queste simulazioni, creato da scienziati come l'astrofisico Scott Noble, tracciare sistemi binari di buchi neri supermassicci. È qui che due buchi neri mostruosi come quelli che si trovano al centro delle galassie orbitano strettamente l'uno intorno all'altro fino a quando non si fondono.

Le simulazioni, creato da computer che lavorano attraverso insiemi di equazioni troppo complicate da risolvere a mano, illustrare come la materia interagisce negli ambienti di fusione. Gli scienziati possono utilizzare ciò che apprendono sulle fusioni di buchi neri per identificare alcune caratteristiche rivelatrici che consentano loro di distinguere le fusioni di buchi neri dagli eventi stellari. Gli astronomi possono quindi cercare questi segni rivelatori e individuare fusioni di buchi neri nella vita reale.

Nobile, che lavora al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, ha detto che questi sistemi binari emettono onde gravitazionali e influenzano i gas circostanti, portando a spettacoli di luce unici rilevabili con i telescopi convenzionali. Ciò consente agli scienziati di conoscere diversi aspetti dello stesso sistema. Le osservazioni multimessenger che combinano diverse forme di luce o onde gravitazionali potrebbero consentire agli scienziati di perfezionare i loro modelli di sistemi binari di buchi neri.

"Ci siamo affidati alla luce per vedere tutto là fuori, " Nobile disse. "Ma non tutto emette luce, quindi l'unico modo per "vedere" direttamente due buchi neri è attraverso le onde gravitazionali che generano. Le onde gravitazionali e la luce del gas circostante sono modi indipendenti di conoscere il sistema, e la speranza è che si incontrino nello stesso punto".

Le simulazioni binarie di buchi neri possono anche aiutare la missione Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Questo osservatorio spaziale di onde gravitazionali, guidato dall'Agenzia Spaziale Europea con importanti contributi della NASA, dovrebbe essere lanciato nel 2034. Se le simulazioni determinano quali caratteristiche elettromagnetiche distinguono un sistema binario di buchi neri da altri eventi, gli scienziati potrebbero rilevare questi sistemi prima che LISA voli, Nobile ha detto. Queste osservazioni potrebbero quindi essere confermate attraverso ulteriori rilevamenti una volta lanciato LISA.

Ciò consentirebbe agli scienziati di verificare che LISA stia funzionando, osservare i sistemi per un periodo più lungo prima che si uniscano, prevedere cosa accadrà, e testare quelle previsioni.

"Non siamo mai stati in grado di farlo prima, " Noble ha detto. "Questo è davvero emozionante."

Le simulazioni si basano su un codice che descrive come la densità e la pressione del plasma cambiano nelle regioni a forte gravità vicino a un singolo buco nero o stella di neutroni, Nobile ha detto. Ha modificato il codice per consentire l'evoluzione di due buchi neri.

Noble sta lavorando con Goddard e partner universitari, tra cui Bernard Kelly all'Università del Maryland, Manuela Campanelli alla guida di un team di ricercatori del Rochester Institute of Technology, e Julian Krolik alla guida di un gruppo di ricerca della Johns Hopkins University.

Kelly crea simulazioni utilizzando un approccio speciale chiamato simulazione di puntura in movimento.

Queste simulazioni consentono agli scienziati di evitare di rappresentare una singolarità all'interno dell'orizzonte degli eventi, la parte del buco nero da cui nulla può sfuggire, ha detto Kelly. Tutto al di fuori di quell'orizzonte degli eventi si evolve, mentre gli oggetti all'interno rimangono congelati da prima nella simulazione. Ciò consente agli scienziati di trascurare il fatto che non sanno cosa succede all'interno di un orizzonte degli eventi.

Per imitare le situazioni della vita reale, dove i buchi neri accumulano dischi di accrescimento di gas, polvere, e materia diffusa, gli scienziati devono incorporare un codice aggiuntivo per tenere traccia di come il materiale ionizzato interagisce con i campi magnetici.

"Stiamo cercando di incollare perfettamente e correttamente diversi codici e metodi di simulazione per produrre un'immagine coerente, " ha detto Kelly.

Nel 2018, il team ha pubblicato un'analisi di una nuova simulazione in Il Giornale Astrofisico che incorporava completamente gli effetti fisici della teoria della relatività generale di Einstein per mostrare gli effetti di una fusione sull'ambiente circostante. La simulazione ha stabilito che il gas nei sistemi binari di buchi neri risplenderà prevalentemente alla luce ultravioletta e dei raggi X.

Le simulazioni hanno anche mostrato che i dischi di accrescimento in questi sistemi non sono completamente lisci. Un denso ciuffo si forma in orbita attorno al binario, e ogni volta che un buco nero si avvicina, tira fuori materia dal ciuffo. Quella collisione riscalda la materia, producendo un segnale luminoso e creando una fluttuazione osservabile della luce.

Oltre a migliorare la loro fiducia nell'accuratezza delle simulazioni, L'astrofisico di Goddard Jeremy Schnittman ha affermato che devono anche essere in grado di applicare lo stesso codice di simulazione a un singolo buco nero o binario e mostrare le somiglianze e anche le differenze tra i due sistemi.

"La simulazione ci dirà come dovrebbero essere i sistemi, " Schnittman said. "LISA works more like a radio antenna as opposed to an optical telescope. We're going to hear something in the universe and get its basic direction, but nothing very precise. What we have to do is take other telescopes and look in that part of the sky, and the simulations are going to tell us what to look for to find a merging black hole."

Kelly said LISA will be more sensitive to lower gravitational wave frequencies than the current ground-based gravitational wave observer, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). That means LISA will be able to sense smaller-mass binary systems much earlier and will likely detect merging systems in time to alert electromagnetic telescopes.

For Schnittman, these simulations are key to understanding the real-life data LISA and other spacecraft collect. The case for models may be even stronger for binary black holes, Schnittman said, because the scientific community has little data.

"We probably will never find a binary black hole with a telescope until we simulate them to the point we know exactly what we're looking for, because they're so far away, they're so tiny, you're going to see just one speck of light, " Schnittman said. "We need to be able to look for that smoking gun."